一种大量程高频响双物镜光学独立共焦式测头的制作方法

本发明属于精密测量技术领域，涉及精密测量系统中的检测装置，特别涉及一种大量程高频响双物镜光学独立共焦式测头。

背景技术：

光学共焦式测头是一种基于光学共焦成像原理来获得被测表面高度信息的测量装置。它具有较高的纵向和横向分辨率，分别可以达到纳米级和亚微米级，可同精密定位平台相结合，实现微结构表面形貌的精密测量。相对于机械触针式测头，它不会因接触而产生磨损，也不会划伤被测表面；相对于光学干涉式测头，其横向分辨率高，纵向测量范围大；相对于结构光式测头，其纵向和横向分辨率以及测量精度高；相对于扫描探针显微镜，它不仅纵向测量范围大，还可实现在线测量。

目前的光学共焦式测头还存在以下不足：

1)结构复杂、光学元器件分散布置，造成测头的体积较大；

2)针孔光阑与光电二极管在光路中的位置大都依靠用来固定它们的结构件的加工及装配精度来保证，对结构件的加工及装配精度要求高，针孔光阑与光电二极管在光路中的位置调节困难；

3)纵向测量范围即量程大都取决于共焦光路的离焦量，而共焦光路的离焦量很小，仅能达到±5μm左右，对于形貌变化较大的微结构表面，便无法进行测量；

4)虽然也有将测头置于精密定位平台上，进而通过平台的精密移动来扩大量程的，但由于平台往往质量较大，频率响应较低，因而难以实现快速测量；

5)在同一时刻，仅能获得被测表面上某一点的高度信息，不利于快速测量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供一种结构简单紧凑、针孔光阑与光电二极管位置易于调节、纵向测量范围大、频率响应高、在同一时刻可获得被测表面上某两点高度信息的一种大量程高频响双物镜光学独立共焦式测头。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种大量程高频响双物镜光学独立共焦式测头，包括激光器，激光器在光线方向上顺次设有准直扩束镜组件、偏振分光棱镜组件、λ/4波片组件，以及并列设置的第一物镜和第二物镜，偏振分光棱镜组件在反射光路方向上连有非偏振分光棱镜组件；非偏振分光棱镜组件在透射光路方向上顺次设有第一成像透镜组件、第一针孔光阑组件和第一光电探测器组件，在反射光路上顺次设有第二成像透镜组件、第二针孔光阑组件和第二光电探测器组件；第一针孔光阑组件和第一光电探测器组件共同安装在第一调节机构内，第二针孔光阑组件和第二光电探测器组件共同安装在第二调节机构内；λ/4波片组件与第一物镜之间设有活动间隙，并且配装有第一电容传感器，λ/4波片组件与第二物镜之间设有活动间隙，并且配装有第二电容传感器；第一物镜和第二物镜配装有能分别带动两者作轴向移动的位移放大组件。

上述的非偏振分光棱镜组件的透射光路和反射光路彼此垂直。

上述的非偏振分光棱镜组件的分光比为0.5:0.5；非偏振分光棱镜组件到第一成像透镜组件之间的距离与到第二成像透镜组件之间的距离相等；第一针孔光阑组件设于第一成像透镜组件的焦点与第一光电探测器组件之间；第二针孔光阑组件设于第二成像透镜组件的焦点与第二成像透镜组件之间；

第一针孔光阑组件到第一成像透镜组件的焦点之间的距离与第二针孔光阑组件到第二成像透镜组件的焦点之间的距离相等。

上述的准直扩束镜组件包括沿激光方向排布的凹透镜和凸透镜；

偏振分光棱镜组件包括一个偏振分光棱镜；

λ/4波片组件包括一个λ/4波片；

非偏振分光棱镜组件包括一个非偏振分光棱镜；

第一成像透镜组件7包括沿着非偏振分光棱镜组件的透射光路方向设置的第一成像透镜，第二成像透镜组件包括沿着非偏振分光棱镜组件的反射光路方向设置的第二成像透镜；

第一针孔光阑组件包括正对第一成像透镜的第一针孔光阑，第二针孔光阑组件包括正对第二成像透镜的第二针孔光阑；

第一光电探测器组件包括设置在第一电路板上的第一光电探测器，第一光电探测器正对着第一针孔光阑；

第二光电探测器组件包括设置在第二电路板上的第二光电探测器，第二光电探测器正对着第二针孔光阑。

上述的准直扩束镜组件还包括第一支撑座，第一支撑座设有同轴连通的第一沉孔和第二沉孔，凹透镜通过第一螺纹锁紧环固定于第一沉孔内，凸透镜通过第二螺纹锁紧环固定于第二沉孔内；

偏振分光棱镜设置于第一壳体内，第一壳体设有光学导通准直扩束镜组件、λ/4波片组件和非偏振分光棱镜组件的第一通光孔；

λ/4波片设置在第八支撑座上；

非偏振分光棱镜设于第二壳体内，第二壳体设有光学导通偏振分光棱镜、第一成像透镜组件和第二成像透镜组件的第二通光孔；

第一成像透镜固定在第二支撑座上；第二成像透镜固定在第三支撑座上；

第一光电探测器组件还包括用于固定第一电路板的第一固定座，第二光电探测器组件还包括用于固定第二电路板的第二固定座。

第一针孔光阑设于第一成像透镜的焦点与第一光电探测器之间；第二针孔光阑设于第二成像透镜的焦点与第二成像透镜之间；

第一针孔光阑到第一成像透镜的焦点之间的距离与第二针孔光阑到第二成像透镜的焦点之间的距离相等。

上述的第一调节机构包括套设于第一固定座外围的第四支撑座，以及套设于第一针孔光阑外围的第五支撑座，还包括间隙套设在第四支撑座和第五支撑座外围的第一环形座，第一环形座上径向设有若干个第一调节螺钉和第二调节螺钉，第一调节螺钉和第二调节螺钉彼此呈九十度顶设于第四支撑座和第五支撑座；

第二调节机构包括套设于第二固定座外围的第六支撑座，以及套设于第二针孔光阑外围的第七支撑座，还包括间隙套设在第六支撑座和第七支撑座外围的第二环形座，第二环形座上径向设有若干个第三调节螺钉和第四调节螺钉，第三调节螺钉和第四调节螺钉彼此呈九十度顶设于第六支撑座和第七支撑座。

上述的第四支撑座与第一环形座，以及第五支撑座与第一环形座之间分别设有第一弹簧片；第六支撑座与第二环形座之间，以及第七支撑座与第二环形座之间分别设有第二弹簧片。

上述的第一环形座和第二环形座、第一壳体、第二壳体和位移放大组件分别固定于固定架上。

上述的位移放大组件包括设于固定架上的第一刚性部，以及连于第一物镜的第一位移放大机构和连于第二物镜的第二位移放大机构，第一位移放大机构内设有第一压电执行器，第二位移放大机构内设有第二压电执行器；第一压电执行器和第二压电执行器分别设于第一刚性部上，第一位移放大机构和第二位移放大机构的结构相同，第一位移放大机构包括平行于第一刚性部并固定于第一物镜的第二刚性部，四条垂直于第一刚性部并围绕第一压电执行器的连杆，连杆通过第一柔性铰链连于第一刚性部和第二刚性部；第一压电执行器的一端顶设有压板，另一端顶设有第三刚性部，第三刚性部与对向的两根连杆之间设有第二柔性铰链。

与现有技术相比，本发明的一种大量程高频响双物镜光学独立共焦式测头，包括激光器，激光器在光线方向上顺次设有准直扩束镜组件、偏振分光棱镜组件、λ/4波片组件，以及并列设置的第一物镜和第二物镜，偏振分光棱镜组件在反射光路方向上连有非偏振分光棱镜组件；非偏振分光棱镜组件在透射光路方向上顺次设有第一成像透镜组件、第一针孔光阑组件和第一光电探测器组件，在反射光路上顺次设有第二成像透镜组件、第二针孔光阑组件和第二光电探测器组件；第一针孔光阑组件和第一光电探测器组件共同安装在第一调节机构内，第二针孔光阑组件和第二光电探测器组件共同安装在第二调节机构内；λ/4波片组件与第一物镜之间设有活动间隙，并且配装有第一电容传感器，λ/4波片组件与第二物镜之间设有活动间隙，并且配装有第二电容传感器；第一物镜和第二物镜配装有能分别带动两者作轴向移动的位移放大组件。与现有技术相比，本发明的优点是：

1)光源、扩束镜、偏振分光棱镜、λ/4波片通过各自的壳体依次连接起来，物镜连接于压电式柔性铰链放大机构上，成像透镜与分光棱镜通过各自的壳体连接在一起，针孔光阑与光电二极管各固定于一个x、y两自由度调节机构中，这两个分调节机构又集成于一个套筒中，实现焦前调节与焦后调节的两套筒与放置分光棱镜的壳体固定于同一支撑板上，该支撑板同支撑偏振分光棱镜壳体的支撑板、压电式柔性铰链放大机构又集成于另一支撑板上，整个测头体积较小、结构简单紧凑；

2)针孔光阑与光电二极管在光路中的位置各通过一个x、y两自由度调节机构来调节，这种通过调节来获得针孔光阑与光电二极管在光路中位置的方式，比通过依靠结构件加工及装配精度来保证针孔光阑与光电二极管在光路中位置的方式更容易实现；

3)物镜被固定于柔性铰链式放大机构上，柔性铰链式放大机构可将压电执行器的位移放大5倍以上，从而使物镜位移可达到100μm以上，这就扩大了测头的纵向测量范围；

4)测头在聚焦时，仅由压电式柔性铰链放大机构带动物镜运动，压电式柔性铰链放大机构的质量远小于精密定位平台，频率响应高，聚焦时间短，易于实现快速测量；

5)在同一时刻，可获得被测表面上某两点的高度信息，可进一步提高测量速度。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是图1的全剖视结构示意图；

图3是图1的分解示意图；

图4是本发明工作原理示意图；

图5是图3中准直扩束镜组件的剖视结构示意图；

图6是2的分解示意图；

图7是图3中偏振分光棱镜组件的剖视结构示意图；

图8是图3中λ/4波片组件的内部结构示意图；

图9是图3中非偏振分光棱镜组件的剖视结构示意图；

图10是图3中第一成像透镜组件的剖视结构示意图；

图11是图3中第二成像透镜组件的剖视结构示意图；

图12是图3中第一针孔光阑组件的结构示意图；

图13是图3中第二针孔光阑组件的结构示意图；

图14是图3中第一光电探测器组件的剖视结构示意图；

图15是图3中第二光电探测器组件的剖视结构示意图；

图16是图3中第一调节机构的结构示意图；

图17是图16中第一调节机构的剖视结构示意图；

图18是图16中第一调节机构的分解示意图；

图19是图3中第二调节机构的结构示意图；

图20是图19中第二调节机构的剖视结构示意图；

图21是图19中第二调节机构的分解示意图；

图22是图3中位移放大组件的结构示意图；

图23是图22中位移放大组件的分解示意图；

图24是图23中桥式放大机构进一步分解示意图。

其中的附图标记为：激光器1、准直扩束镜组件2、凹透镜21、第一沉孔211、凸透镜22、第二沉孔221、第一支撑座23、第一螺纹锁紧环24、第二螺纹锁紧环25、偏振分光棱镜组件3、偏振分光棱镜31、第一通光孔32、第一壳33、λ/4波片组件4、λ/4波片41、第八支撑座42、第一物镜51、第一位移放大机构511、第二物镜52、第二位移放大机构521、非偏振分光棱镜组件6、非偏振分光棱镜61、第二通光孔62、设于第二壳体63、第一成像透镜组件7、第一成像透镜71、第二支撑座72、第三螺纹锁紧环73、第一针孔光阑组件8、第一针孔光阑81、第五支撑座82、第五螺纹锁紧环83、第一光电探测器组件9、第一光电探测器91、第一电路板92、第一固定座94、第四支撑座95、第一调节机构10、第一环形座101、第一弹簧片102、第一调节螺钉103、第二调节螺钉104、第二成像透镜组件11、第二成像透镜111、第三支撑座112、第四螺纹锁紧环113、第二针孔光阑组件12、第二针孔光阑121、第二光电探测器组件13、第二光电探测器131、第二电路板132、第二固定座134、第二调节机构14、第二环形座141、第二弹簧片142、第三调节螺钉143、第四调节螺钉144、位移放大组件15、第一刚性部151、第二刚性部152、压板153、第三刚性部154、连杆155、第二柔性铰链156、第二压电执行器157、第一柔性铰链158、第一压电执行器159、第一电容传感器161、第二电容传感器162、固定架17。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至图22为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的一种大量程高频响双物镜光学独立共焦式测头，包括激光器1，激光器1在光线方向上顺次设有准直扩束镜组件2、偏振分光棱镜组件3、λ/4波片组件4，以及并列设置的第一物镜51和第二物镜52，偏振分光棱镜组件3在反射光路方向上连有非偏振分光棱镜组件6；非偏振分光棱镜组件6在透射光路方向上顺次设有第一成像透镜组件7、第一针孔光阑组件8和第一光电探测器组件9，在反射光路上顺次设有第二成像透镜组件11、第二针孔光阑组件12和第二光电探测器组件13；第一针孔光阑组件8和第一光电探测器组件9共同安装在第一调节机构10内，第二针孔光阑组件12和第二光电探测器组件13共同安装在第二调节机构14内；λ/4波片组件4与第一物镜51之间设有活动间隙，并且配装有第一电容传感器161，λ/4波片组件4与第二物镜52之间设有活动间隙，并且配装有第二电容传感器162；第一物镜51和第二物镜52配装有能分别带动两者作轴向移动的位移放大组件15。

实施例中，非偏振分光棱镜组件6的分光比为0.5:0.5；非偏振分光棱镜组件6到第一成像透镜组件7之间的距离与到第二成像透镜组件11之间的距离相等；第一针孔光阑组件8设于第一成像透镜组件7的焦点与第一光电探测器组件9之间；第二针孔光阑组件12设于第二成像透镜组件11的焦点与第二成像透镜组件11之间；

第一针孔光阑组件8到第一成像透镜组件7的焦点之间的距离与第二针孔光阑组件12到第二成像透镜组件11的焦点之间的距离相等。

实施例中，如图5和图6所示，准直扩束镜组件2包括沿激光方向排布的凹透镜21和凸透镜22；

如图7所示，偏振分光棱镜组件3包括一个偏振分光棱镜31；

如图8所示，λ/4波片组件4包括一个λ/4波片41；

如图9所示，非偏振分光棱镜组件6包括一个非偏振分光棱镜61；

如图10所示，第一成像透镜组件7包括沿着非偏振分光棱镜组件6的透射光路方向设置的第一成像透镜71，如图11所示，第二成像透镜组件11包括沿着非偏振分光棱镜组件6的反射光路方向设置的第二成像透镜111；

如图12所示，第一针孔光阑组件8包括正对第一成像透镜71的第一针孔光阑81，如图13所示，第二针孔光阑组件12包括正对第二成像透镜111的第二针孔光阑121；

如图14所示，第一光电探测器组件9包括设置在第一电路板92上的第一光电探测器91，第一光电探测器91正对着第一针孔光阑81；

如图15所示，第二光电探测器组件13包括设置在第二电路板132上的第二光电探测器131，第二光电探测器131正对着第二针孔光阑121。

第一针孔光阑81设于第一成像透镜71的焦点与第一光电探测器91之间；第二针孔光阑121设于第二成像透镜111的焦点与第二成像透镜111之间；

第一针孔光阑81到第一成像透镜71的焦点之间的距离与第二针孔光阑121到第二成像透镜111的焦点之间的距离相等。

实施例中，如图5和图6所示，准直扩束镜组件2还包括第一支撑座23，第一支撑座23设有同轴连通的第一沉孔211和第二沉孔221，凹透镜21通过第一螺纹锁紧环24固定于第一沉孔211内，凸透镜22通过第二螺纹锁紧环25固定于第二沉孔221内；

如图7所示，偏振分光棱镜31设置于第一壳体33内，第一壳体33设有光学导通准直扩束镜组件2、λ/4波片组件4和非偏振分光棱镜组件6的第一通光孔32；

如图8所示，λ/4波片41设置在第八支撑座42上；

如图9所示，非偏振分光棱镜61设于第二壳体63内，第二壳体63设有光学导通偏振分光棱镜31、第一成像透镜组件7和第二成像透镜组件11的第二通光孔62；

如图10所示，第一成像透镜71固定在第二支撑座72上；如图11所示，第二成像透镜111固定在第三支撑座112上；

如图14所示，第一光电探测器组件9还包括用于固定第一电路板92的第一固定座94，如图15所示，第二光电探测器组件13还包括用于固定第二电路板132的第二固定座134。

实施例中，如图16、17和图18所示，第一调节机构10包括套设于第一固定座94外围的第四支撑座95，以及套设于第一针孔光阑81外围的第五支撑座82，还包括间隙套设在第四支撑座95和第五支撑座82外围的第一环形座101，第一环形座101上径向设有若干个第一调节螺钉103和第二调节螺钉104，第一调节螺钉103和第二调节螺钉104彼此呈九十度顶设于第四支撑座95和第五支撑座82；通过旋转调节第一调节螺钉103和第二调节螺钉104能够调整第四支撑座95、第五支撑座82和第一成像透镜71的同心度。

如图19、20和图21所示，第二调节机构14包括套设于第二固定座134外围的第六支撑座135，以及套设于第二针孔光阑121外围的第七支撑座122，还包括间隙套设在第六支撑座135和第七支撑座122外围的第二环形座141，第二环形座141上径向设有若干个第三调节螺钉143和第四调节螺钉144，第三调节螺钉143和第四调节螺钉144彼此呈九十度顶设于第六支撑座135和第七支撑座122。通过旋转调节第三调节螺钉143和第四调节螺钉144能够调整第六支撑座135、第七支撑座122和第二成像透镜111的同心度。

实施例中，如图18所示，第四支撑座95与第一环形座101，以及第五支撑座82与第一环形座101之间分别设有第一弹簧片102；如图21所示，第六支撑座135与第二环形座141之间，以及第七支撑座122与第二环形座141之间分别设有第二弹簧片142。第一环形座101

实施例中，如图1所示，第一环形座101和第二环形座141、第一壳体33、第二壳体63和位移放大组件15分别固定于固定架17上。

实施例中，如图22所示，位移放大组件15包括设于固定架17上的第一刚性部151，以及连于第一物镜51的第一位移放大机构511和连于第二物镜52的第二位移放大机构521，第一位移放大机构511内设有第一压电执行器159，第二位移放大机构内设有第二压电执行器157；第一压电执行器159和第二压电执行器157分别设于第一刚性部151上，第一位移放大机构511和第二位移放大机构521的结构相同，第一位移放大机构511包括平行于第一刚性部151并固定于第一物镜51的第二刚性部152，四条垂直于第一刚性部151并围绕第一压电执行器159的连杆155，连杆155通过第一柔性铰链158连于第一刚性部151和第二刚性部152；第一压电执行器159的一端顶设有压板153，另一端顶设有第三刚性部154，第三刚性部154与对向的两根连杆155之间设有第二柔性铰链156。

本发明的工作原理：

由激光器1发出的光束通过准直扩束镜组件2后，成为直径变大、发散角变小的准直光束，再通过偏振分光棱镜31后变成只在一个方向振动的线偏振光（p光），该线偏振光通过λ/4波片41（其光轴方向与p光的偏振方向成45º）后，其偏振态从线偏振态变为圆偏振态，该圆偏振光通过第一物镜51、第二物镜52后聚于各自的焦点，当被测表面恰好位于第一物镜51、第二物镜52各自的焦点上时，圆偏振光聚焦后将在被测表面形成两个最小的测量光斑。

从被测表面反射回去的两束圆偏振态光，再次通过λ/4波片后其偏振态又变为线偏振态，但偏振方向偏转了90º而成为s光（其偏振方向与入射光路中的p光偏振方向垂直，避免了同一光路传播的入射光和反射光发生干涉，防止反射光返回激光器，造成激光器1振荡），这两束s光到达偏振分光棱镜31后被反射到非偏振分光棱镜61，均变成分光比为0.5:0.5的透射路光和反射路光，其中两束透射光经第一成像透镜71聚焦于第一针孔光阑81后被第一光电探测器91接收，两束反射光经第二成像透镜111聚焦于第二针孔光阑121后被第二光电探测器131接收，第一针孔光阑81放置于第一成像透镜71焦点与第一光电探测器91之间，第二针孔光阑121放置于第二成像透镜111焦点与第二成像透镜111之间，第一针孔光阑81和第一成像透镜71焦点的距离跟第二针孔光阑121和第二成像透镜111焦点的距离相同。

当第一光电探测器91与第二光电探测器131接收到的由被测表面上a点反射回来的光信号能量相同时，第一光电探测器91的a单元与第二光电探测器131的a单元输出电信号的差值为零，第一物镜51的焦平面均正好位于被测表面；同理，当第一光电探测器91与第二光电探测器131接收到的由被测表面上b点反射回来的光信号能量相同时，第一光电探测器91的b单元与第二光电探测器131的b单元输出电信号的差值为零，第二物镜52的焦平面均正好位于被测表面。据此：

当第二光电探测器131的a单元输出电信号减去第一光电探测器91的a单元输出电信号的差值为正时，第一物镜51的焦平面位于被测表面上的a点之下，此时由第一压电执行器159驱动第一位移放大机构511，由第一位移放大机构511带动第一物镜51向上移动，直至第一光电探测器91的a单元与第二光电探测器131的a单元输出电信号的差值为零，由第一电容传感器161所测得的第一物镜51的位移即为被测表面上的a点高度相对于其上一个测量点的增大量；当第二光电探测器131的a单元输出电信号减去第一光电探测器91的a单元输出电信号的差值为负时，第一物镜51的焦平面位于被测表面上的a点之上，此时由第一压电执行器159驱动第一位移放大机构511，由第一位移放大机构511带动第一物镜51向下移动，直至第一光电探测器91的a单元与第二光电探测器131的a单元输出电信号的差值为零，由第一电容传感器161所测得的第一物镜51位移即为被测表面上的a点高度相对于其上一个测量点的减小量。

同理，当第二光电探测器131的b单元输出电信号减去第一光电探测器91的b单元输出电信号的差值为正时，第二物镜52的焦平面位于被测表面上的b点之下，此时由第二压电执行器157驱动第二位移放大机构521，由第二位移放大机构521带动第二物镜52向上移动，直至第一光电探测器91的b单元与第二光电探测器131的b单元输出电信号的差值为零，由第二电容传感器162所测得的第二物镜52的位移即为被测表面上的b点高度相对于其上一个测量点的增大量；当第二光电探测器131的b单元输出电信号减去第一光电探测器91的b单元输出电信号的差值为负时，第二物镜52的焦平面位于被测表面的上b点之上，此时由第二压电执行器157驱动第二位移放大机构521，由第二位移放大机构521带动第二物镜52向下移动，直至第一光电探测器91的b单元与第二光电探测器131的b单元输出电信号的差值为零，由第二电容传感器162所测得的物镜位2的移即为被测表面上的b点高度相对于其上一个测量点的减小量。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。